В поисках новых частиц: как инженеры пытаются "сломать" физику

В физике элементарных частиц самые маленькие проблемы часто требуют самых больших решений.

Под границей Франции и Швейцарии, примерно на глубине ста метров под землей, протоны движутся по 27-километровому кольцу — примерно в семь раз длиннее трассы гонок Indy 500 — пока не сталкиваются с протонами, летящими навстречу. Эти столкновения частиц производят петабайт данных каждую секунду, из которых наиболее интересные отправляются в центры обработки данных, доступные тысячам физиков по всему миру.

Большой адронный коллайдер (БАК), возможно, самый масштабный эксперимент, когда-либо созданный человечеством, нужен для исследования самых маленьких составляющих Вселенной. В 2012 году две команды БАК открыли неуловимый бозон Хиггса, частицу, существование которой подтвердило теории о происхождении массы, которым уже 50 лет. Это было научное триумфальное достижение, которое принесло Нобелевскую премию и мировое признание.

С тех пор эксперименты на БАК сосредоточены на лучшем понимании того, как недавно открытый бозон Хиггса вписывается в Стандартную модель — лучшее теоретическое описание материи и сил, за исключением гравитации. «Стандартная модель прекрасна», — говорит Виктория Мартин, экспериментальный физик из Эдинбургского университета. «Поскольку она так точна, все малейшие несоответствия сразу бросаются в глаза».

Большой адронный коллайдер был использован для открытия бозона Хиггса, но дальнейшие исследования могут потребовать еще более крупного устройства.

Мелкие замечания физиков касательно Стандартной модели могут быть объяснены новыми частицами. Темная материя, невидимый материал, чья гравитация формирует Вселенную, предположительно состоит из еще не открытых частиц. Но такие новые частицы могут оказаться вне досягаемости БАК, даже после его модернизации, которая должна завершиться в конце этого десятилетия. Чтобы решить эти неразрешенные вопросы, физики-ядерщики планируют его преемников. Эти следующие поколения коллайдеров улучшат БАК, сталкивая протоны на более высоких энергиях или обеспечивая более точные столкновения с мюонами, антимюонами, электронами и позитронами. Таким образом, они позволят исследователям заглянуть в совершенно новую область физики.

Мартин особенно заинтересована в изучении бозона Хиггса и выяснении того, как именно ведет себя частица, ответственная за массу. Одним из возможных открытий может стать то, что свойства бозона Хиггса указывают на то, что Вселенная может быть нестабильной в очень долгосрочной перспективе. [Примечание редактора: примерно через 10^790 лет другие проблемы могут быть более насущными.] «Мы точно не знаем, что найдем», — говорит Мартин. «Но это нормально, потому что это наука, это исследование».

Есть четыре основных предложения по созданию новых коллайдеров, и каждое из них сопровождается своими сложностями в области инженерии. Для их создания инженерам придется преодолеть сложные региональные геологические условия, разработать ускоряющие полости, справиться с избыточным теплом внутри этих полостей и создать мощные новые магниты для направления частиц через полости. Но, возможно, более пугающими являются геополитические препятствия: координация многонациональных финансовых обязательств и преодоление бюрократических трудностей.

Проекты коллайдеров занимают годы планирования и миллиарды долларов на финансирование. Самое раннее время, когда любой из четырех машин может заработать, — это конец 2030-х годов. Но сейчас физики и инженеры принимают ключевые научные и инженерные решения о том, что будет дальше.

БАК сталкивает протоны и другие адроны. Адроны похожи на мешочки, полные кварков и глюонов, которые разлетаются во все стороны при столкновении.

Следующие поколения коллайдеров имеют два пути улучшения БАК: они могут работать на более высоких энергиях или достигать большей точности. Более высокие энергии предоставляют больше данных, производя больше частиц — потенциально новых и тяжелых. Более точные столкновения дают физикам более чистые данные с лучшим соотношением сигнал/шум, поскольку столкновения производят меньше обломков. Любой из этих подходов может раскрыть новую физику за пределами Стандартной модели.

Три из новых коллайдеров улучшат точность БАК, сталкивая электроны и их античастицы, позитроны, вместо адронов. Эти частицы больше похожи на отдельные шарики — намного легче и не состоят из меньших составляющих. По сравнению со столкновениями между беспорядочными, похожими на мешочки адронами, столкновение между электронами и позитронами гораздо чище. После нескольких лет сбора данных некоторые из этих коллайдеров могут быть модернизированы для столкновения протонов, хотя на энергиях примерно в восемь раз выше, чем у БАК.

Эти новые коллайдеры варьируются от технически зрелых до спекулятивных. Одним из таких спекулятивных вариантов является столкновение мюонов — более тяжелых аналогов электронов, которые никогда ранее не сталкивались. В 2023 году влиятельная группа физиков-ядерщиков рекомендовала США развивать такую машину в рамках так называемого "мюонного проекта". Если он будет построен, мюонный коллайдер, скорее всего, будет базироваться в Fermilab, центре физики элементарных частиц в США.

Мюонный коллайдер "может вывести нас за пределы мира, который мы знаем", — говорит Даниэле Кальзолари, физик, работающий над дизайном мюонного коллайдера в CERN. "Мы не знаем точно, как все будет выглядеть, но мы верим, что сможем заставить его работать".

Хотя мюонные коллайдеры остаются концептуальными уже более 50 лет, их потенциал давно волнует и интригует физиков. Мюоны тяжелее электронов, почти как протоны, но они не содержат беспорядка кварков и глюонов, поэтому столкновения между мюонами могут быть одновременно высокоэнергетическими и высокоточными.

Проблема в том, что мюоны быстро распадаются — всего за 2,2 микросекунды в состоянии покоя — поэтому их нужно охлаждать, ускорять и сталкивать до того, как они исчезнут. Предварительные исследования показывают, что мюонный коллайдер возможен, но ключевые технологии, такие как мощные соленоидные магниты, используемые для охлаждения, еще предстоит разработать. В марте 2025 года Кальзолари и его коллеги представили внутренний проект для демонстрации технологии охлаждения, которую они надеются реализовать до конца десятилетия.

Когда частицы движутся по кривой коллайдера, они теряют энергию — как машина, тормозящая на гоночной трассе. Этот эффект особенно выражен для легких частиц, таких как электроны и позитроны. Чтобы снизить потерю энергии из-за резких поворотов, CEPC и FCC-ee планируется строить с огромными тоннелями, которые, если будут построены, станут одними из самых длинных в мире. Стоимость строительства такого огромного тоннеля составит несколько миллиардов долларов США, примерно треть от общей стоимости коллайдера.

Найти место для 90-километрового кольца непросто, особенно в Швейцарии. Предложенная трасса FCC-ee имеет среднюю глубину 200 метров, с погружением до 500 метров под Женевским озером, плотно расположенным между Юрскими горами на северо-западе и на востоке. Земля там когда-то была покрыта морем, которое оставило после себя осадочные породы — смесь песчаника и сланца, известную как моласс. «Мы уже много раз проводили тоннелирование в CERN. Мы были довольно уверены в молассовых породах», — говорит Лиам Бромилей, гражданский инженер в CERN.

Но путь FCC-ee также проходит через отложения известняка, который является пористым и может содержать карсты, или полости, наполненные водой. «Если вы попадете в одну из них, вы можете затопить тоннель», — говорит Бромилей. В течение следующих двух лет, если проект будет одобрен, инженеры пробурят скважины в известняке, чтобы определить, есть ли карсты, которых можно избежать.

В отличие от других проектов, у китайского коллайдера CEPC гораздо больше свободы в выборе места строительства. Учёные рассматривают три основных варианта: Циньхуандao (портовый город на севере), Чанша (крупный мегаполис в центральном Китае) и Хучжоу (прибрежный город недалеко от Шанхая). По словам Цзя Гао, физика из Института физики высоких энергий в Пекине, идеальное место должно иметь твёрдые породы, такие как гранит, и низкую сейсмическую активность. Кроме того, исследователи хотят выбрать участок с хорошей инфраструктурой, чтобы создать "научный город", подходящий для международного сообщества физиков.

Экологический след коллайдеров также является важной темой для учёных. Одним из потенциальных способов экономии энергии может стать перенаправление избыточного тепла, выделяемого при работе установок. "Раньше мы просто выбрасывали его в атмосферу," — говорит Михаэль Бенедикт. В последние годы нагретая вода из одной из систем охлаждения Большого адронного коллайдера (БАК) использовалась для обогрева части коммуны Ферней-Вольтер зимой. Бенедикт добавляет, что FCC-ee расширит эти экологические усилия.

Если инженеры смогут преодолеть строительные трудности, физики будут полагаться на новые технологии для ускорения, фокусировки и столкновения электронов и позитронов в CEPC и FCC-ee более точно и эффективно, чем это было возможно в БАК.

Когда частицы производятся из источников, они начинают своё движение с относительно низкой энергией — около 4 гигаэлектронвольт. Чтобы разогнать их, электроны и позитроны пропускаются через сверхпроводящие радиочастотные (SRF) полости — блестящие металлические "пузыри", соединённые, как бусины в ожерелье. Эти полости создают электрическое поле, которое толкает заряженные частицы вперёд.

Раньше SRF-полости соединялись сваркой, что неизбежно оставляло дефекты, вызывающие нестабильность лучей. "Невозможно получить идеально ровную поверхность вдоль шва," — говорит Бенедикт. Исследователи FCC-ee изучили несколько методов создания бесшовных полостей, включая гидроформинг, который широко используется для деталей дорогих спортивных автомобилей. Металлическая трубка помещается в пресс под давлением жидкости, и получившаяся полость оказывается без швов и гладкой, как стекло.

Для повышения эффективности инженеры сосредотачиваются на машинах, которые питают SRF-полости, — клистронах. Исторически эффективность клистронов достигала максимума около 65%, но благодаря новым разработкам, таким как способность объединять электроны в группы, их эффективность может достичь 80%. "Эффективность клистрона становится очень важной," — говорит Гао. За десять лет работы такие улучшения позволят сэкономить до 1 тераватт-часа энергии — примерно столько, сколько нужно для питания всего Китая за час.

Дополнительное повышение эффективности достигается за счёт оптимизации дизайна тоннелей. Когда электроны и позитроны движутся по кривой кольца, они теряют значительное количество энергии. Для компенсации потерь SRF-полости будут размещены вокруг кольца, чтобы поддерживать энергию частиц. Потерянная энергия будет испускаться в виде мощного синхротронного излучения — примерно в 10,000 раз больше, чем излучение, создаваемое протонами в БАК. "Вы не хотите, чтобы синхротронное излучение попадало в детекторы," — говорит Бенедикт. Чтобы избежать этого, ни FCC-ee, ни CEPC не будут полностью круглыми. Оба коллайдера будут иметь форму трассы для автогонок с прямыми участками длиной около 1,5 км перед точками взаимодействия. Существуют и другие варианты — например, ранее исследователи использовали переработанную сталь с затонувших кораблей времён Второй мировой войны для защиты детекторов от излучения.

Оба коллайдера, CEPC и FCC-ee, станут машинами для генерации огромных объёмов данных. В отличие от БАК, который периодически останавливают для добавления новых частиц, следующее поколение коллайдеров будет работать в непрерывном режиме, что позволит им оставаться в "режиме столкновений" и собирать больше данных.

Хотя оба коллайдера, FCC-ee и CEPC, начнут работу с электронов и позитронов, они спроектированы так, чтобы в будущем сталкивать протоны. Эти обновления называются FCC-hh и Super proton-proton Collider (SPPC). При использовании протонов коллайдеры смогут достичь энергии столкновений в 100,000 ГэВ, что значительно превышает показатель БАК в 13,600 ГэВ. Хотя столкновения будут менее чистыми, их высокая энергия позволит физикам "исследовать совершенно новую территорию," — говорит Бенедикт. Хотя гарантий нет, учёные надеются найти там частицы тёмной материи или необычные столкновения, где бозон Хиггса многократно взаимодействует сам с собой.

Одним из преимуществ протонов является то, что они в 1,800 раз тяжелее электронов, поэтому испускают гораздо меньше излучения при движении по кривой кольца. Однако этот дополнительный вес требует ещё более мощных сверхпроводящих магнитов.

Развитие магнитов стало причиной провала некоторых коллайдеров в прошлом. В начале 1980-х годов планировавшийся коллайдер Isabelle был отменён из-за недостаточно развитых технологий магнитов. Магниты БАК изготовлены из прочного сплава ниобия и титана, намотанных в катушки, которые создают магнитное поле при подаче тока. Эти катушки могут генерировать поля силой более 8 тесла. Сила магнита создаёт давление почти 600 тонн на метр. "Если произойдёт внезапное смещение витков катушки даже на 10 микрометров, весь магнит может выйти из строя," — говорит Бернхард Аухманн, эксперт по магнитам в CERN.

Будущие магниты для FCC-hh и SPPC должны иметь как минимум вдвое большую силу магнитного поля — около 16–20 тесла, что бросает вызов возможностям материалов и физики. Аухманн указывает на три возможных пути решения:

В течение следующего десятилетия физики будут работать над этими материалами, чтобы выбрать направление для разработки магнитов следующего поколения.

Хотя FCC-ee и CEPC (и их протонные обновления) имеют много общих технических характеристик, они сильно различаются по двум ключевым факторам: срокам и политике.

Строительство CEPC может начаться уже через два года, тогда как FCC-ee придётся ждать ещё около десятилетия. Разница объясняется тем, что у CERN запланировано обновление БАК, которое позволит собрать в десять раз больше данных и потребует ресурсов вплоть до 2040 года. Китай, напротив, активно инвестирует в фундаментальные исследования и имеет средства для немедленного начала проекта.

Физика коллайдеров никогда не так далека от земных политических реалий, как кажется. Японский ILC находится в подвешенном состоянии из-за бюджетных проблем. Мюонный коллайдер зависит от капризов сильно разделённого Конгресса США. В прошлом году представитель Германии раскритиковал FCC-ee за его дороговизну, а CERN продолжает бороться с политикой включения российских учёных. Напряжённость между Китаем и США также растёт после введения администрацией Трампа пошлин.

Как физики планируют решать эти практические проблемы, остаётся под вопросом. Но маловероятно, что какой-либо коллайдер — будь то в Китае, CERN, США или Японии — сможет действовать в одиночку. Помимо десятков миллиардов долларов на строительство и эксплуатацию нового объекта, физическая экспертиза, необходимая для его работы и проведения сложных экспериментов в масштабе, должна быть глобальной. "По определению, это международный проект," — говорит Гао. "Двери широко открыты."

Материал является переводом оригинальной статьи https://spectrum.ieee.org/supercolliders